張 健，卞辰慧

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

隨著海運(yùn)行業(yè)對(duì)于運(yùn)輸效率的要求不斷提高，大型、快速化已經(jīng)成為船舶設(shè)計(jì)建造的主流方向。船舶航速的提高及船型的增大使得船舶碰撞事故發(fā)生的概率也隨之增大。由于船舶重量大、船舶碰撞動(dòng)能較大，往往會(huì)造成巨大損失，因此船體結(jié)構(gòu)的抗撞防護(hù)性受到越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注。為此，許多學(xué)者提出了各種抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和開(kāi)發(fā)應(yīng)用具有沖擊防護(hù)特性的防護(hù)結(jié)構(gòu)材料。李慧等[1]在單層舷側(cè)內(nèi)添加折疊式、圓管式和蜂窩式-夾層板；王自力等[2]提出了內(nèi)充泡沫塑料的薄壁方管——FCT舷側(cè)結(jié)構(gòu)。優(yōu)化傳統(tǒng)舷側(cè)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)新型耐撞結(jié)構(gòu)的方法固然可以提高結(jié)構(gòu)的耐撞性，但同時(shí)也帶來(lái)了其他問(wèn)題，如船舶重量增加，制造繁瑣及成本增加等，所以?xún)H靠這些方法效果是有限的。為了提高結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能，聚脲這種新型綠色材料應(yīng)運(yùn)而生。

聚脲材料早已在鋼結(jié)構(gòu)防腐、混凝土防護(hù)工程、鐵路交通、港口設(shè)施、水電工程、核電工程，船舶工業(yè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[3-5]，相關(guān)研究也頗多。較其他涂層，聚脲不僅具有多功能性，還有優(yōu)異的物理性能、化學(xué)性能及力學(xué)性能。這些優(yōu)良的特性使得聚脲可以改變?cè)跊_擊載荷下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性，增強(qiáng)其防護(hù)性能[6]。高照等[7]對(duì)不同噴涂方式和厚度的聚脲涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)在高速?gòu)椡铔_擊下的抗侵徹性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：在彈體沖擊過(guò)程中，前涂覆聚脲能夠使彈體與鋼靶之間的撞擊載荷得到有效緩沖，且提高了復(fù)合結(jié)構(gòu)的彈道極限；后涂覆聚脲在較高的彈速下有更好的吸能效果。趙鵬鐸等[8]針對(duì)不同聚脲涂覆方式下單鋼板和箱體結(jié)構(gòu)的抗爆性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，等鋼板厚度時(shí)涂覆聚脲能夠有效提高鋼板和箱體結(jié)構(gòu)的抗爆性，且背爆面涂覆效果優(yōu)于迎爆面涂覆。因此，聚脲涂層在防護(hù)工程領(lǐng)域具有巨大且有價(jià)值的應(yīng)用前景。

鑒于學(xué)者們將聚脲材料多應(yīng)用于抗侵徹性能和抗爆性能[9-12]，而針對(duì)碰撞載荷的研究工作卻沒(méi)有，且在碰撞載荷下舷側(cè)結(jié)構(gòu)遭到破壞的危險(xiǎn)性最大，因此本文以某型艦船舷側(cè)結(jié)構(gòu)為依據(jù)，利用MSC/Dytran軟件對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值仿真，根據(jù)仿真結(jié)果確定落錘高度及試驗(yàn)工況，并結(jié)合相應(yīng)的船體舷側(cè)板架落錘沖擊試驗(yàn)，對(duì)聚脲材料的抗撞防護(hù)性能進(jìn)行研究，為聚脲涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 聚脲材料的力學(xué)性能

聚脲是由異氰酸酯組分（簡(jiǎn)稱(chēng)A組分）和氨基化合物（簡(jiǎn)稱(chēng)B組分）反應(yīng)而成的高性能的彈性體噴涂材料。VOC（揮發(fā)性有機(jī)物）含量為零，固含量100%。聚脲材料不僅造價(jià)低廉，而且理化性能優(yōu)良，如質(zhì)量輕、抗沖擊強(qiáng)度高、柔韌性好、防水、防腐蝕、耐磨耐老化、附著力強(qiáng)、施工性能好。國(guó)內(nèi)外學(xué)者率先研究了聚脲材料的力學(xué)性能，研究和試驗(yàn)表明[13-15]，聚脲材料有明顯的應(yīng)變率敏感效應(yīng)，隨著應(yīng)變率從低到高，聚脲材料則從橡膠狀材料轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａ畈牧希覐?qiáng)度和剛度有所增加。本文聚脲材料采用的是LINE-X?公司的XS-350。

要想研究聚脲涂層舷側(cè)結(jié)構(gòu)的抗撞性能，就要提供必要的力學(xué)參數(shù)，因此需要對(duì)聚脲涂覆鋼板的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。利用WDW-200D微機(jī)控制電子式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)可獲得低應(yīng)變率下(＜1 s-1)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中慣性效應(yīng)可以忽略不計(jì)，被稱(chēng)為準(zhǔn)靜態(tài)狀態(tài)。試樣為5 mm厚聚脲材料與1 mm厚20#鋼復(fù)合后形成的復(fù)合材料，復(fù)合材料為70 mm×200 mm的長(zhǎng)條狀。

圖1為由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的聚脲涂覆鋼板的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，大致可以分為3個(gè)階段：

1）線彈性階段，拉伸曲線剛開(kāi)始階段，應(yīng)力與應(yīng)變基本呈線性關(guān)系，符合虎克定律，應(yīng)力與應(yīng)變的線性關(guān)系用彈性模量E來(lái)表征。此階段的應(yīng)變范圍約為0～0.03。

2）應(yīng)力平臺(tái)階段，復(fù)合材料沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)，只是出現(xiàn)較大的弧形變化區(qū)，在應(yīng)變急劇增加的情況下應(yīng)力變化不大。

圖1 應(yīng)變-應(yīng)力曲線Fig.1 Strain-stress curve of composite material

3）非線性變形階段，在試樣的某一局部范圍內(nèi)，橫向尺寸突然急劇縮小，形成縮頸現(xiàn)象。由于在縮頸部分橫截面面積迅速減小，使試樣繼續(xù)伸長(zhǎng)所需要應(yīng)力也相應(yīng)減小。

試樣的抗拉強(qiáng)度計(jì)算式如下：

式中：σ為試樣的拉伸強(qiáng)度，MPa；F為試樣斷裂時(shí)的載荷，N；A為試樣初始的橫截面積，m2。

根據(jù)公式可以得到聚脲涂覆鋼板的抗拉強(qiáng)度約為846～897 MPa，查閱資料可知20#鋼抗拉強(qiáng)度為410 MPa，聚脲為224 MPa。結(jié)合實(shí)驗(yàn)可以看出，聚脲涂覆鋼板的強(qiáng)度大幅升高，且涂層于鋼板失效前未發(fā)生斷裂或剝落。這是由于聚脲材料有較高的伸長(zhǎng)率，再配合復(fù)合后的高強(qiáng)度可大幅提升材料的抗變形能力，因此可適用于防撞抗沖擊。表1為聚脲材料的主要力學(xué)參數(shù)。

表1 聚脲材料的主要力學(xué)參數(shù)Tab.1 Main mechanical parameters of polyurea materials

2 舷側(cè)板架落錘沖擊試驗(yàn)研究

開(kāi)展落錘碰撞載荷下舷側(cè)板架的結(jié)構(gòu)響應(yīng)試驗(yàn)，測(cè)量噴涂聚脲材料在板架背面（包括加強(qiáng)筋）與不噴涂聚脲材料2種情況下船體板架的沖擊載荷、結(jié)構(gòu)塑性變形等參數(shù)，分析板架結(jié)構(gòu)的損傷變形、破口大小及碰撞力，并比較分析有無(wú)噴涂聚脲材料對(duì)結(jié)構(gòu)抗撞防護(hù)性能的影響。

2.1 試驗(yàn)裝置及模型尺寸

試驗(yàn)采用撞頭自由落體沖擊方式撞擊板架的沖擊方案，落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)主體試驗(yàn)裝置如圖2所示。試驗(yàn)布置了1個(gè)加速度傳感器在錘頭和錘體之間，用

來(lái)記錄沖擊過(guò)程中加速度的變化情況。其中舷側(cè)板架支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，其直接與地基連接并具有足夠的剛度，同時(shí)，模型試件四周焊接在支座的內(nèi)邊緣上，以保證提供足夠強(qiáng)的剛性約束[16]。

圖2 落錘試驗(yàn)裝置圖Fig.2 Drop hammer test device diagram

圖3 試驗(yàn)固定裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of test fixture

試件板架以某型艦船中段舷側(cè)結(jié)構(gòu)為依據(jù)加工，如圖4所示。材料采用高強(qiáng)度船體用結(jié)構(gòu)鋼DH36，外板尺寸為1 060 mm×1 060 mm×5 mm，其中四周都預(yù)留30 mm用來(lái)焊接固定，有效區(qū)域?yàn)? 000 mm×1 000 mm，4根角鋼縱向排列，間距為300 mm，尺寸為80 mm×50 mm×4 mm，2根T型材橫向排列，間距為800 mm，腹板尺寸為6 mm×200 mm，面板尺寸為8 mm×80 mm。噴涂聚脲涂層厚度為5 mm。撞頭是半徑為75 mm的球形撞頭，其后伸長(zhǎng)段的長(zhǎng)度為250 mm，材料是GCr15（高碳鉻軸承鋼），質(zhì)量為1 350 kg。

2.2 試驗(yàn)工況

為了更加準(zhǔn)確地制定模型試驗(yàn)工況，首先利用顯式非線性有限元?jiǎng)討B(tài)分析技術(shù)對(duì)1 350 kg落錘與舷側(cè)板架結(jié)構(gòu)的沖擊試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。通過(guò)改變初始撞擊速度，用以模擬試驗(yàn)中撞頭從不同高度處自由落下到達(dá)板架時(shí)的沖擊速度，從而找到板架破裂的臨界高度。

2.2.1 有限元模型

圖4 舷側(cè)板架結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Side frame structure model

以試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榛A(chǔ)，建立舷側(cè)板架落錘沖擊有限元模型，如圖5和圖6所示。圖中模型使用四節(jié)點(diǎn)縮減積分板殼單元（S4R），選取全局尺寸為10 mm網(wǎng)格進(jìn)行分析計(jì)算。撞頭采用剛體材料本構(gòu)模型。板架結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)如下：彈性模量210 GPa，泊松比0.3，密度7 850 kg/m3，屈服應(yīng)力355 MPa，最大失效應(yīng)變0.23。其中考慮材料應(yīng)變率敏感性，故選取Cowper-Symonds材料本構(gòu)方程：

式中：σy為動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力；σ0為相應(yīng)的靜態(tài)屈服應(yīng)力； ε˙為應(yīng)變率；D和P為應(yīng)變率敏感參數(shù)，分別取40和 5。

圖5 有限元模型Fig.5 Finite element model

圖6 型材模型Fig.6 Profile model

約束條件以實(shí)際情況下落錘試驗(yàn)為依據(jù)設(shè)定，邊界采用四周剛性固定。接觸選用自適應(yīng)主從接觸，其中考慮到撞頭與板架之間的摩擦作用，選取摩擦系數(shù)為0.3。為了考察板架的抗撞擊性能，取板架最弱位置為撞擊點(diǎn)，即撞頭撞擊在板架板格中央上。利用迭代初始撞擊速度得到計(jì)算工況，即方案1板架未破和方案2板架破損。

2.2.2 數(shù)值仿真結(jié)果與分析

圖7為非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析程序MSC/Dytran計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)損傷變形情況。圖8為有限元計(jì)算得到的不同高度下碰撞力-時(shí)間關(guān)系曲線圖。

圖7 損傷變形情況Fig.7 Damage deformation

從圖7（a）中可以看到，板架未發(fā)生破損，此時(shí)撞頭下落高度為2.2 m；從圖7（b）中可以看到，撞頭直接穿透板架結(jié)構(gòu)，破口處外板是由中間向四周撕裂，就損傷變形模式而言，舷側(cè)外板主要是撕裂破壞和膜拉伸變形，此時(shí)撞頭下落高度為2.3 m。對(duì)比2個(gè)方案可以看出，結(jié)構(gòu)的損傷變形基本集中在受撞擊區(qū)域，而其他區(qū)域的結(jié)構(gòu)變形很小，說(shuō)明碰撞損傷具有局部性，且仿真計(jì)算得到的舷側(cè)板架破裂的臨界高度為2.2～2.3 m之間。圖8中曲線整體趨勢(shì)均呈現(xiàn)先加載至峰值再卸載的過(guò)程，最大碰撞力分別為222.85 kN和254.46 kN?？梢灶A(yù)見(jiàn)，舷側(cè)板架還有一定的抵抗能力，碰撞力存在一定的潛力，但隨著碰撞的繼續(xù)，舷側(cè)外板的破裂口會(huì)不斷加大，從而使抵抗力失去意義。當(dāng)碰撞力達(dá)到最大值時(shí)，落錘高度為2.3 m。根據(jù)數(shù)值仿真的結(jié)果，取無(wú)涂層舷側(cè)板架破裂的臨界高度為2.3 m。

圖8 碰撞力-時(shí)間關(guān)系曲線Fig.8 Collision force-time curve

2.2.3 確定試驗(yàn)工況

為了分析碰撞速度對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，深入剖析聚脲涂層板架的塑性變形規(guī)律，考慮實(shí)際碰撞場(chǎng)景并結(jié)合數(shù)值仿真的計(jì)算結(jié)果，取距臨界高度差為±300 mm的撞頭初始下落高度設(shè)置6種試驗(yàn)工況見(jiàn)表2，采用3種落錘高度即3種碰撞速度，每種速度分別對(duì)有無(wú)涂層板架試件開(kāi)展1次撞擊試驗(yàn)，碰撞區(qū)域設(shè)置在板架最弱位置即板格中央。

表2 試驗(yàn)工況匯總Tab.2 Summary of test conditions

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 損傷變形

損傷變形是最直觀的物理量，試驗(yàn)結(jié)束后用卷尺直接量取模型上破損的網(wǎng)格面積即為破口大??；通過(guò)

激光測(cè)距儀測(cè)量測(cè)點(diǎn)在試驗(yàn)前后離基準(zhǔn)平面的距離差即為塑性變形量。通過(guò)塑性變形范圍和程度以及破口大?。ㄈ绻财疲?，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的變形失效模式，并以此來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)耐撞性能。同時(shí)，此數(shù)據(jù)也可以用來(lái)檢驗(yàn)仿真計(jì)算的精度。具體測(cè)點(diǎn)布置如圖9所示。

圖9 試件測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.9 Layout of test points

試驗(yàn)結(jié)束后舷側(cè)板架結(jié)構(gòu)的損傷變形情況如表3所示。

表3 不同工況下的破口大小Tab.3 The size of the breach under different working conditions

可以發(fā)現(xiàn)：

1）對(duì)比工況3和工況4，舷側(cè)板架結(jié)構(gòu)均發(fā)生了大變形，有涂層板架未發(fā)生破裂，在碰撞過(guò)程中的變形幅度相對(duì)較小且有一定幅度的振動(dòng)，撞頭發(fā)生反彈，板架的變形模式主要為膜拉伸變形；而無(wú)涂層板架出現(xiàn)破裂，破口大小及形狀與撞頭基本一致，且呈現(xiàn)了碰撞問(wèn)題損傷變形的局部性。通過(guò)高速攝像機(jī)的記錄看到，無(wú)涂層板架由于撞頭直接穿透，舷側(cè)外板的變形幅度相對(duì)較大，破口處板材由中間向四周發(fā)生撕裂，靠近破口處的骨材未破損，但出現(xiàn)較輕的側(cè)向彎曲變形。可見(jiàn)聚脲涂層的存在可以加強(qiáng)板架的抗沖擊能力。

2）對(duì)比工況5和工況6，有涂層和無(wú)涂層2種碰撞工況下板架結(jié)構(gòu)均發(fā)生了破裂，且撕裂方式不同，工況5是由中間向四周擴(kuò)散式，而工況6是由一側(cè)向另一側(cè)掀開(kāi)式，產(chǎn)生撕裂方式不同的原因可能是由于焊縫導(dǎo)致該處周?chē)獍逑鄬?duì)較弱。通過(guò)比較破口大小可以看到，有涂層的破口尺寸較無(wú)涂層的小。

表4給出了測(cè)點(diǎn)塑性變形量的分布情況，可以發(fā)現(xiàn)，各工況下測(cè)點(diǎn)塑性變形量呈現(xiàn)碰撞區(qū)域周?chē)^大，外圍很小的規(guī)律，且碰撞區(qū)域周?chē)?個(gè)測(cè)點(diǎn)塑性變形量較大，剩下的幾乎可以忽略不計(jì)。對(duì)比相同撞擊位置以及相同的落錘高度工況發(fā)現(xiàn)，有涂層板架各個(gè)測(cè)點(diǎn)的塑性變形均小于無(wú)涂層板架，可見(jiàn)聚脲材料能夠有效有效減小板架的變形量。

3.2 碰撞力

通過(guò)安裝在撞頭和錘體間的加速度傳感器測(cè)量撞頭碰撞舷側(cè)板架過(guò)程中的碰撞加速度，由此得到的加速度-時(shí)間關(guān)系曲線如圖10所示。由于尚無(wú)直接測(cè)試撞頭與舷側(cè)板架接觸碰撞區(qū)的碰撞力的設(shè)備及手段，故試驗(yàn)根據(jù)牛頓第二定律的方法利用碰撞加速度來(lái)計(jì)算碰撞力，即F（t）=m（t）a（t）[17]。

從圖10可以看到，曲線整體趨勢(shì)呈現(xiàn)先加載至峰值再卸載的過(guò)程，且加速度分布具有很強(qiáng)的非線性特征。其中工況1和工況2下板架未發(fā)生破裂失效，撞頭下落過(guò)程中隨著接觸面積逐漸增大，加速度迅速增加，加速度-時(shí)間關(guān)系曲線上的峰值時(shí)刻為舷側(cè)外板抵御撞頭的時(shí)刻，之后有一個(gè)卸載過(guò)程，且加速度卸載比較緩慢；其余工況由于板架發(fā)生破裂，加速度-時(shí)間關(guān)系曲線上的峰值對(duì)應(yīng)著結(jié)構(gòu)破裂失效時(shí)刻，此時(shí)各工況加速度峰值和碰撞力峰值見(jiàn)表5。對(duì)比同高度工況可以看出，有涂層板架峰值碰撞力大于無(wú)涂層板架，這是由于聚脲涂層具有很高的延伸率，使得有涂層板架能夠承受更大的作用力。

表5 各工況碰撞力峰值Tab.5 The peak of collision force in different working conditions

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以某型艦船的舷側(cè)結(jié)構(gòu)為依據(jù)制作模型板架，開(kāi)展有無(wú)聚脲涂層舷側(cè)板架落錘沖擊試驗(yàn)研究，深入剖析涂層板架的塑性變形規(guī)律，得到碰撞力及損傷變形結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較分析，揭示了結(jié)構(gòu)在碰撞沖擊載荷下的損傷變形機(jī)理。主要結(jié)論如下：

1）在模型試驗(yàn)前進(jìn)行數(shù)值仿真抗撞性能評(píng)估，通過(guò)改變碰撞速度，旨在找出板架破裂的臨界高度，在此基礎(chǔ)上可以更為科學(xué)地確立落錘沖擊試驗(yàn)工況。

2）碰撞力-時(shí)間關(guān)系曲線具有明顯的非線性特征且整體趨勢(shì)呈現(xiàn)先加載至峰值再卸載的過(guò)程，能夠很好地反映整個(gè)碰撞過(guò)程。有涂層板架的峰值碰撞力顯著大于無(wú)涂層板架，表明聚脲涂層能夠承受更大的沖擊力。

3）對(duì)比工況1和工況2，在相同撞擊位置及相同落錘高度下，板架均未發(fā)生破損，且有涂層板架的塑性變形顯著小于無(wú)涂層板，由此可見(jiàn)聚脲涂層能夠有效減小板架的變形量；對(duì)比工況3和工況4，無(wú)涂層板架產(chǎn)生破口，而有涂層板架未發(fā)生破裂，說(shuō)明在船舶受到強(qiáng)烈沖擊而即將發(fā)生破損的臨界時(shí)刻，聚脲涂層能夠較好地保證船體的完整性和水密性，提高了艦船的生命力。